无线传感器网络监测森林火灾的节点布置方法技术

本发明专利技术提出了一种森林火灾监测的无线传感器网络节点布置方法，其步骤如下：（1）沿森林中的传输电线部署汇聚节点；（2）垂直传输电线方向，以布置好的汇聚节点为基准，根据节点探测半径部署探测节点；（3）在探测节点之间以及汇聚节点与探测节点之间部署用于辅助通信的精简节点；（4）在部分节点处补充精简节点。本发明专利技术能够满足现代森林火灾监测的应用需求，为森林火灾监测提供一种无线传感器网络节点布置的方法，有利于推动无线传感器网络在森林火灾预警中的地位和作用，突破了传统的节点布置思路，延长了整个网络的寿命，提高了网络的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
无线传感器网络监测森林火灾的节点布置方法
本专利技术公开了一种森林火灾监测的无线传感器网络节点布置方法，属于无线传感器网络和电子监控领域。
技术介绍
森林火灾是世界林业的重要灾害之一，每年都有一定数量发生，造成森林资源的重大损失和严重的环境污染。森林火灾具有突发性、随机性，且在短时间内能造成巨大损失。因此一旦有火情发生，就必须以极快的速度采取扑救措施，扑救是否及时，决策是否得当，一个重要方面在于对林火行为的发现是否及时，定位是否准确，火情分析是否合理、准确。为此，国内外都在如何预防、减少和控制森林火灾方面做大量工作。通过实现森林防火工作的科学化、信息化、规范化，真正做到森林火灾早发现，早解决。林区面积广、海拔高、环境复杂、布线困难，普通的监控系统难以部署和实现，一般都是在山顶建设一个人工瞭望塔，工作人员上山困难，一到晚上天气冷，视距短且模糊，给林业管理带来很多困难。通过部署在森林中的无线传感网络来监测森林火灾是近年来兴起的技术。无线传感器网络一般由汇聚节点和普通节点组成，普通节点又可分为探测节点和精简节点。探测节点具有探测火焰、测量温度、湿度、大气压等功能；精简节点一般不具备探测能力，类似于网络中的路由器，负责数据传输和辅助节点之间的通信。无线传感器网络森林火灾监测的工作流程概括如下：探测节点将探测到的温度、湿度、气压、是否有火焰以及自身位置等信息，在精简节点的帮助下传输到汇聚节点；汇聚节点汇总所有的信息，简单地进行信息处理和判断，借助手机移动通信网络传输到监控中心或者互联网。监控中心收到信息，了解林区的各种信息。一旦出现火情，可以立刻发现并迅速高效的组织力量灭火。但是无线传感器网络在森林火灾监测的使用过程中，首先需要解决节点的布置问题——确定节点的数量、安排节点的位置及其组网情况等等。虽然关于无线传感网络节点布置的方法有很多，但是由于森林防火的特点，在具体的应用中仍面临很多困难。(1)林区地形特殊、面积广、海拔高，人工布置节点十分费时、费力，如何在不影响监测效果的情况下保持节点数量最少，将有效降低节点部署的难度。(2)如何确保节点布置的位置合理，既能最大限度覆盖林区，又能做到不漏报不错报。(3)无线传感器网络的节点能量有限，网络周期寿命有限，重新更换节点电源或传感网络节点将耗费巨大的人力、物力。虽然目前出现了利用太阳能、风力等绿色供电形式，但还不够稳定、可靠，特别是在森林这种难以处理的环境下，极易出现故障，限定了其使用范围。即使森林中存在具备长期、稳定供电的地点(如移动运营商的基站、架空线输电线路)，其地理分布上也存在较大的随机性。合理的节点布置方式也是延长网络生存周期的一个关键问题。
技术实现思路
为了解决森林火灾监测无线传感器网络节点布置存在的上述技术问题，本专利技术提供一种森林火灾监测无线传感器网络的节点布置方法，充分利用分布在林区的具备长期、稳定的供电地点，用组合链式结构代替传统的网格结构，从而降低了节点数量，降低成本，且提高了节点的布置效率，延长网络生存周期。本专利技术解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：第一步：找出森林中的通信运营商基站架设的线路或者电网架空线，选取一根横跨森林长度最长的直线Di，从直线与森林边界的一个交点处开始布置第一个汇聚节点，并以此汇聚节点为起点，在此直线上以相等的间隔d等间距的布置其它汇聚节点，直到汇聚节点距离森林边界的距离小于间距值d或者落在森林边界上，rc为探测传感器的探测半径；在直线Di上，当直线最外侧的汇聚节点距离森林边界的最大垂直距离大于d/2时，在边界外直线Di上补充一个汇聚节点，并以此汇聚节点为最外侧汇聚节点，此时直线Di上有n个汇聚节点；第二步：以所有汇聚节点所在位置为起点，向垂直于直线Di的方向的两端延伸，此时有n条平行线垂直于直线Di，形成直线集p；在直线集p中的直线上，在距汇聚节点d/2处开始布置第一个探测节点，其后以相等的间隔d在直线上布置探测节点，直至探测节点落在森林的边界上或者距离森林的边界小于d；垂直于直线Di的n条平行线中，在其中相邻的两条平行线da和da+1上(1≤a≤n-1)，确定一条由da上的探测节点和da+1上的探测节点相连的线段c，该线段c垂直于da且距离直线Di最远；根据森林边界和线段c如下的几种位置情况，补充边界探测节点：以直线da、直线da+1和线段c为正方形的边向森林外侧虚拟出一个正方形a1b1b2a2；其中a1是直线da和线段c的交点，b1是直线da+1和线段c的交点，b2是直线da+1和线段b2a2的交点，a2是直线da和线段b2a2的交点；a2和b2是虚拟出的点或直线da和直线da+1上的探测节点；并将该正方形分成四个全等的小正方形区域ta1,tb1,tb2,ta2，其中a1，b1，b2，a2为ta1,tb1,tb2,ta2与正方形a1b1b2a2的公共顶点；(1)当直线da和直线da+1之间的森林区域不超过ta1和tb1的区域时，不需要补充探测节点；(2)当直线da和直线da+1之间的森林区域超过ta1和tb1且只在tb2或者ta2的区域内，则在b2或者a2处补充探测节点；(3)当直线da和直线da+1之间的森林区域经过了ta1,tb1,tb2和ta2的区域且不超过线段b2a2时，则在b2和a2处补充探测节点；(4)当直线da和直线da+1之间的森林区域超过线段b2a2时，除需在b2和a2处补充探测节点外，以线段b2a2为新的线段c，重复上述步骤直到不需要再补充探测节点为止；第三步：在直线集p中的直线上，相邻的探测节点之间以及汇聚节点和探测节点之间，等间隔地布置用于数据传输和辅助节点之间的通信的精简节点，所述精简节点的数量为N，间距值为dt；其中，dt＝dc/n+1，为向下取整，dc为探测节点之间或者汇聚节点和探测节点之间的距离，rd为通信半径；第四步：在直线集p中的每条直线上，将汇聚节点到直线的一个端点处的探测节点这段直线区域标记为L；将直线区域L划分为k个直线段，按照与汇聚节点的距离由远及近的依次标记为L1,L2,……,Lk，其中L1＝L2＝...＝Lk＝L/k；在L2段内的每个节点的位置，增补1个精简节点；在L3段内的每个节点的位置，增补2个精简节点；依此方式类推；在Lk段内的每个节点的位置，增补k-1个精简节点。本专利技术与现有技术相比优点在于：1、本专利技术充分利用林区的供电分布线路，保证汇聚节点的供电，且在某一个汇聚节点出现故障以后该线路上的探测节点可以借助相邻的汇聚节点的线路将探测信息传递出去，不会导致林区的监测出现盲区，具有良好的鲁棒性。2、用多条链式结构取代传统的平面网格结构来监测整个林区，大量减少了无线传感器节点，效率更高。3、探测节点具有非常远的探测半径(一般为通信半径的3到4倍)，采取用少量探测节点结合大量低成本的精简节点部署方式，达到降低总成本目的。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本专利技术中汇聚节点的结构图。图3是本专利技术中探测节点的结构图。图4是本专利技术中精简节点的结构图。图5是本专利技术中实施例的森林平面图。图6是本专利技术中布置汇聚节点的示意图。图7是本专利技术中布置探测节点的示意图。图8是本专利技术中布置精简节点的示意图。图9是本专利技术中补充精简节点的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络监测森林火灾的节点部署方法，包括以下步骤：第一步：找出森林中的通信运营商基站架设的线路或者电网架空线，选取一根横跨森林长度最长的直线Di，从直线与森林边界的一个交点处开始布置第一个汇聚节点，并以此汇聚节点为起点，在此直线上以相等的间隔d等间距的布置其它汇聚节点，直到汇聚节点距离森林边界的距离小于间距值d或者落在森林边界上，rc为探测传感器的探测半径；在直线Di上，当直线最外侧的汇聚节点距离森林边界的最大垂直距离大于d/2时，在边界外直线Di上补充一个汇聚节点，并以此汇聚节点为最外侧汇聚节点，继续上述判断，直到满足条件为止，此时直线Di上有n个汇聚节点；第二步：以所有汇聚节点所在位置为起点，向垂直于直线Di的方向的两端延伸，此时有n条平行线垂直于直线Di，形成直线集p；在直线集p中的直线上，在距汇聚节点d/2处开始布置第一个探测节点，其后以相等的间隔d在直线上布置探测节点，直至探测节点落在森林的边界上或者距离森林的边界小于d；垂直于直线Di的n条平行线中，在其中相邻的两条平行线da和da+1上(1≤a≤n‑1)，确定一条由da上的探测节点和da+1上的探测节点相连的线段c，该线段c垂直于da且距离直线Di最远；根据森林边界和线段c如下的几种位置情况，补充边界探测节点：以直线da、直线da+1和线段c为正方形的边向森林外侧虚拟出一个正方形a1b1b2a2；其中a1是直线da和线段c的交点，b1是直线da+1和线段c的交点，b2是直线da+1和线段b2a2的交点，a2是直线da和线段b2a2的交点；a2和b2是虚拟出的点或直线da和直线da+1上的探测节点；并将该正方形分成四个全等的小正方形区域ta1,tb1,tb2,ta2，其中a1，b1，b2，a2为ta1,tb1,tb2,ta2与正方形a1b1b2a2的公共顶点；(1)当直线da和直线da+1之间的森林区域不超过ta1和tb1的区域时，不需要补充探测节点；(2)当直线da和直线da+1之间的森林区域超过ta1和tb1且只在tb2或者ta2的区域内，则在b2或者a2处补充探测节点；(3)当直线da和直线da+1之间的森林区域经过了ta1,tb1,tb2和ta2的区域且不超过线段b2a2时，则在b2和a2处补充探测节点；(4)当直线da和直线da+1之间的森林区域超过线段b2a2时，除需在b2和a2处补充探测节点外，以线段b2a2为新的线段c，重复上述步骤直到不需要再补充探测节点为止；第三步：在直线集p中的直线上，相邻的探测节点之间以及汇聚节点和探测节点之间，等间隔地布置用于数据传输和辅助节点之间的通信的精简节点，所述精简节点的数量为N，间距值为dt；其中，dt＝dc/n+1，为向下取整，dc为探测节点之间或者汇聚节点和探测节点之间的距离，rd为通信半径；第四步：在直线集p中的每条直线上，将汇聚节点到直线的一个端点处的探测节点这段直线区域标记为L；将直线区域L划分为k个直线段，按照与汇聚节点的距离由远及近的依次标记为L1,L2,……,Lk，其中L1＝L2＝...＝Lk＝L/k；在L2段内的每个节点的位置，增补1个精简节点；在L3段内的每个节点的位置，增补2个精简节点；依此方式类推；在Lk段内的每个节点的位置，增补k‑1个精简节点。...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络监测森林火灾的节点布置方法，包括以下步骤：第一步：找出森林中的通信运营商基站架设的线路或者电网架空线，选取一根横跨森林长度最长的直线Di，从直线与森林边界的一个交点处开始布置第一个汇聚节点，并以此汇聚节点为起点，在此直线上以相等的间隔d等间距的布置其它汇聚节点，直到汇聚节点距离森林边界的距离小于间距值d或者落在森林边界上，rc为探测传感器的探测半径；在直线Di上，当直线最外侧的汇聚节点距离森林边界的最大垂直距离大于d/2时，在边界外直线Di上补充一个汇聚节点，并以此汇聚节点为最外侧汇聚节点此时直线Di上有n个汇聚节点；第二步：以所有汇聚节点所在位置为起点，向垂直于直线Di的方向的两端延伸，此时有n条平行线垂直于直线Di，形成直线集p；在直线集p中的直线上，在距汇聚节点d/2处开始布置第一个探测节点，其后以相等的间隔d在直线上布置探测节点，直至探测节点落在森林的边界上或者距离森林的边界小于d；垂直于直线Di的n条平行线中，在其中相邻的两条平行线da和da+1上(1≤a≤n-1)，确定一条由da上的探测节点和da+1上的探测节点相连的线段c，该线段c垂直于da且距离直线Di最远；根据森林边界和线段c如下的几种位置情况，补充边界探测节点：以直线da、直线da+1和线段c为正方形的边向森林外侧虚拟出一个正方形a1b1b2a2；其中a1是直线da和线段c的交点，b1是直线da+1和线段c的交点，b2是直线da+1和线段b2a2的交点，a2是直线da和线段b2a2的交点；a2和b2是虚拟出的点或直线da和直线da+1上的探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴廷睿，陈星杰，朱江，田淑娟，曹江莲，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43